1 前语
电容传感器在许多工业和消费类产品中都有十分广泛的使用，因其小尺度和低功耗以及高精度等方面的特性，在许多范畴广受喜爱。而关于电容传感器的丈量来说，传统的电路方法有其无法战胜的局限性。杂乱的模仿电路规划，难以扩展的电容丈量规模，都会给开发带来十分大的阻力。虽然存在一些所谓的简略易用的电容数字转化器单芯片计划，但不管从价格，功能，和简略程度上，仍是会有许多约束。
德国acam公司专利的PICOCAP®丈量原理则给电容丈量供给了革命性的打破。在2011年推出了最新的带有内部DSP单片机的单芯片电容丈量计划PCAP01, 这个芯片会使电容丈量提高到一个史无前例的水平。
2.概述
PCap01为带有单片机处理单元的一款专门进行电容丈量的电容数字转化单芯片计划。这颗芯片丈量规模覆盖了从几fF到几百nF，并且能够十分简略的经过装备来满意各种不同使用的需求。PCap01既合适超低功耗最低至几个uA的丈量，也合适高精度到达21位有用位的高功能丈量，还能够进行最高达50万次每秒钟的快速丈量。这颗芯片供给了关于高精度丈量,低功耗丈量以及快速丈量使用的的完美结合。传感器数据能够在芯片内部进行现行校准，然后经过SPI或许IIC数据串行接口进行传送。别的，芯片还能够经过IO口来发送 PWM/PDM 输出电压信号。其他的IO口能够作为中止管脚，水平报警信号管脚或许一般IO口来使用。
PCap01 有十分小的QFN封装尺度，仅需求很少数量的外部元器件 (至少需求2个外部双通电容) ，使整个体系的规划十分紧凑并且下降成本，合适很广泛的电容丈量。
3. PICOCAP 丈量原理介绍
PICOCAP 丈量原理展现了关于电容丈量的新的革命性的方法。在这个原理中，一个传感器的电容和一个参阅电容被衔接到同一个放电电阻，组成了一个Low-pass低通滤波。
电容首要被充电到电源电压，然后经过电阻进行放电。而放电到一个可操控阚值电压的水平将会被芯片内部的十分高精度时刻数字转化器TDC所记录下来。
这个丈量进程将会在传感器和参阅电容上重复交织进行，使用相同的电阻。核算的成果是丈量的比值成果，是与电阻和比较器温度相关性有关。传感器和参阅电容数值的挑选应该为一致规模来下降增益偏移。实践视点讲，关于被测电容没有巨细的约束。传感器简直能够从0fF到几十nf。PICOCAP一起也支撑差动电容传感器的丈量带有内部的线性补偿。
4. PCAP01芯片主要特点
Pcap01芯片为一颗单芯片电容丈量计划，犹如下一些特性：
n
一颗芯片能够合适多种使用，丈量灵敏性十分高:
a)
低丈量功耗，在10Hz最低仅2 µA
b)
丈量精度最高达 22 位有用位, 4 aF rms 精度
c)
丈量频率能够最高达500 kHz
n
十分宽的电容丈量规模, 从几 fF 到上百nF
n
超低增益和offset漂移
n
18 位高分辨率温度丈量
n
48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM
n
内部或许外部时钟振动
n
最多能够支撑6个IO口
n
IIC, SPI, PWM, PDM 接口
n
宽的电源电压规模从2.1 V 到 3.6 V
n
宽操作温度规模( -40 °C到+125°C)
n
QFN32 或许 QFN24 封装
内部结构原理图：
Pcap01发挥了P%&&&&&%OCAP®丈量原理的高精度优势，使电容丈量到达了一个史无前例的水平。依据传感器和参阅电容巨细不同，以及所挑选的丈量形式的不同，咱们有如下丈量数据。这个丈量数据为典型丈量噪声精度vs.数据输出频率, 咱们的测验是使用Pcap01评价体系以及10pF参阅电容和1pf的Span加载电容完结。芯片的电压为 V = 3.0 V：
上面表格中能够
看到，咱们别离给出了floating漂移形式和Grounded接地形式两种状况。当使用漂移形式，彻底补偿的状况下，在5Hz输出时丈量的RMS噪声为6aF，丈量有用位高达20.7位!在挑选不同丈量频率的不同设置状况下，精度和速度的相对联系在表格中给出。
当然随根底电容巨细不同，丈量的有用分辨率也会有所不同。
当使用补偿形式进行高精度丈量时，能够使丈量有十分低的增益和零点漂移。电容能够衔接为接地，漂移形式。而传感器和参阅电容是经过内部集成的模仿开关挑选到放电网路中。别的因为专利的电路和补偿算法，内部能够补偿寄生电容。补偿的成果能够到达在温度规模内仅0.5 ppm /K 增益偏移。这比绝大多数传感器自身内部偏移要好得多。
传感器衔接的方法：
关于电容传感器的丈量，芯片供给了十分灵敏的衔接方法，比照典型的衔接方法如下所示：
在芯片中用户能够自己挑选是用内部集成的放电电阻进行电容的丈量，仍是外接放电电阻来进行丈量，衔接的方法如下图所示：
导线补偿：
在电容丈量傍边，导线的寄生电容关于整个丈量的影响是不能够疏忽的。特别当导线较长的状况下，导线寄生电容的影响将会对丈量成果有丧命的影响。在Pcap01傍边，能够对传感器的导线寄生%&&&&&%进行有用补偿：
